電容式傳感器范文

導語：如何才能寫好一篇電容式傳感器，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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關鍵詞：電容；傳感器；轉換；測量

在生產科研活動中，經常要對溫度、壓力等非電量進行測量，使得現代傳感器技術有了飛速的發展。電容式傳感器的檢測元件可將被測非電量變換為電容量，然后通過對電容值的測量得到相應的非電量的值。由此可見對電容值進行測量是有實際意義的。在數字化測量技術中，為實現對電容所測值進行數字顯示，通常是將被測電容Cx先轉換成與其成正比的直流電壓信號（稱C/U轉換）或時間信號（稱C/t轉換）。這里介紹一些具體的轉換方法，并詳細討論一個典型的C/U轉換電路。

1、測量電容的幾種轉換方法

⑴ 充電法測電容

圖1是這種方法的原理圖。集成運放反向輸入端所加的基準電壓Ur經電阻R對被測電容Cx進行充電，當輸出電壓Uo達到預先設定的額定值時就停止充電。在Ur和R為定值的情況下，顯然充電時間t的長短與Cx成正比。由圖1可寫出其關系式：

只要測出時間t的大小，就可得知Cx的值。利用這種C/t的轉換方法測電容，其可測范圍為10μf-999.9μf。

⑵ 充放電法測電容

圖2是這種方法的原理圖之一，它由窗口比較器對電容的充放電進行控制。基準Ur先對Cx進行充電，當兩端電壓達到額定值時就對地放電，當電容兩端電壓降低到一個額定值時再次充電。Cx如此反復的充放電，就形成一個周期為T的震蕩電壓波形，T值與Cx成正比，因此通過測量時間T的大小就可得知Cx的值。這種通過C/t轉換測量電容若配上單片機電容量的分辯率可達（0.5-1）×10-3乘以電容滿度值，可測范圍為0-200μF。

和上述方法相似的另一種測量方式是稱為換向式的測量法，它也是先充電后放電，但放電到-Ur為止通過測量放電的持續時間Td得知Cx的大小，這種方法的優點是對充電電源及放大器參數要求不嚴格，測量誤差小，分辨力可達0.1pF，能滿足電容傳感器的要求。

⑶ 脈寬調制法測電容

圖3是這種方法的原理圖。它是在如圖所示的單穩態觸發器的觸發端輸入一個脈寬為tw，周期為T的矩形波，在閾值為TH加被測電容Cx。通過Cx充放電在輸出端得到一個周期仍為T，但脈寬tw即占空比q=tw/T隨Cx成比例變化的矩形波（所以稱為脈寬調制）。如果能設法測出tw的值，則Cx也可得，這顯然也屬于用C/t轉換法測電容。由于q隨C/x改變是輸出的矩形波電壓平均值Uo值隨之而變，即表明Cx與Uo成正比，所以只要能Uo并測出它的數值，就可以得出Cx的值，顯然這屬于通過C/U轉換測電容。脈寬調制法測電容的范圍為0-20μF，最高分辨別率為1μF，它的缺點是測量前都要手動調零，從而延長了測量時間。

⑷ 容抗法測電容

圖4是這種方法的原理電路圖。運放處于線性工作，Ui是幅度及頻率fo均恒定的正弦測試信號。電容中通過正弦交流信號時，其容抗為Xc=1/（2πfoCx），當fo恒定時，Xc與Cx成反比。

2、按容抗法實現的C/U轉換電路的設計與分析

根據容抗法測量原理，為實現C/U轉換，必須有正弦信號發生器，C/ACU轉換電路，AC/DC轉換電路，濾波器及輔助電路等。

由集成運放N1，電阻R1-R5和C1-C2組成RC橋式振蕩器，其中C1R1和C2R2組成RC串并聯網絡，R3R4R5組成負反饋網絡，通過調整R3R4R5 的值使略大于3滿足起振的條件，即R4+R5>2R3。運放N2是一級反向輸入的緩沖放大器，其電壓增益為A = -（R7+RP1）/R6其中RP1為校準電位器，調節RP1可改變N2的電壓增益。由運放N3、電阻RS和電容Cx組成測量電容的主電路，其功能是實現C/ACU的轉換。由運放N4、電阻R9- R11和電容C3- C4組成二階有源帶通濾波器，其中心頻率fo = 400HZ因此有源帶通濾波器只允許400HZ信號通過，這樣就得到一個純正的400HZ的正弦波。由集成運放N5、二極管VD3-VD5電阻R13- R16和，電位器RP2和電容C5- C8組成精密整流電路，電路中的R12是N5的同向端輸入電阻，R13、 R14為負反饋電阻可將N5偏置在線性放大區并控制運放的增益。

3、電容式傳感器的應用

電容式傳感器的檢測元件將被測非電量變換為電容量變化后，用測量線路（C/U轉換電路）把電容容量的變化變換為電壓，再通過電壓與電容的關系得出非電量的值。可應用在測氣體的濃度、油箱油量、導電液體液位等等。

這種電容式轉換電路具有線性度好、準確度高、電路簡單、成本小、功耗低等特點可應用于一些小型、便攜式裝置中。例如數字萬用表就是利用容抗法實現C/U轉換輸出平均值電壓再配以高分辯率的液晶A/D轉換器把模擬量轉換成數字量來測量電容的。

參考文獻：

[1]沙占友等.數字萬用表應用技巧 .北京：國防工業出版社，1997

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關鍵詞：電容式傳感器原理及應用行動導向教學課堂設計

中圖分類號：G712文獻標識碼:A文章編號:1672-3791(2012)02(c)-0000-00

0引言

傳感器原理及應用是高職院校機電一體化專業的專業課程，主要研究機電控制系統中傳感器的應用，根據課程性質，該課程在理清傳感器工作原理的基礎上，偏重其工業應用，由于目前我院機電專業學生能力參差不齊，對偏重理論的傳感器原理理解難度較大，導致對其工業應用把握不住，針對這一情況，我院傳感器檢測技術課程組老師改變了原有老師講解為主的傳統教學方法，在課堂讓學生思維充分動起來，從而使學生從要我學轉變為我要學，本為以電容式傳感器的課堂教學為例，對偏重工作原理部分內容的課堂設計進行了探索。

1 課程分析

課堂設計首先基于對課程的分析和合理的把握。根據機電專業學生將來的職業崗位進行分析。其將來面臨的職業崗位主要有機電設備裝配與調試、機電設備維護與維修等。而在任何的機電設備中無疑都有控制系統，傳感檢測技術作為控制系統的重要環節，是機電專業學生必須掌握的重要技術，所以，傳感器課程在機電專業的課程體系設計中，是一門重要的專業課程。

2 學情分析

對于不同的授課對象，理應采用不同的授課方法及手段。本課程的授課對象為高職機電專業學生。根據高職學生的特點分析，學生具有以下特點：學生的學習主動性較差，對理論性過強的知識點理解會存在一定困難；但這些學生喜歡動手，喜歡探索實際應用性的問題，具有較強的挑戰性和競爭意識。

3對教材的分析及使用

傳感器本身是一門應用性較強的課程，學習的目的就是為了能在實際的機電一體化系統中進行應用。所以，在授課過程中，以夠用為尺度，教材僅僅作為參考，在每種傳感器的學習過程中，充分利用多媒體資源，給學生展示傳感器的實際應用場景，使理論知識在實際應用場合中慢慢滲入。

4 課程教學目標及重難點的把握

教學目標：使學生在理解傳感器工作原理的基礎上掌握其應用方法和注意事項等。那么，本次課的教學目標就是掌握電容式傳感器的工作原理以及它的應用。

教學重點：學生通過本次課堂學習后，能夠根據電容的定義式推知電容式傳感器的工作原理；掌握電容式傳感器的應用。

難點定位：通過分析，本次課的難點就在于它的應用，也就是它的應用功能與其他的傳感器有何區別，它在實踐中能夠解決哪些實際問題。

5 教學過程

“行動導向教學”看似是要讓大家都真正的“動”起來。但究其內涵，并非如此。本次課重點在電容式傳感器的工作原理及應用，所以本次課對于行動導向教學的設計應該注重學生“思維上的行動”，在課堂上充分發揮學生的主觀能動性，引導學生積極思維，從思想上行動起來，把課堂變成老師和學生共同學習，解決問題的場所。

接下是對這堂課具體的過程設計。

（1）回顧總結

在新課之前，設置問題，用懸念引導對已有相關知識的回顧，并導入新課。

如：“要想檢測位移，可以用哪些傳感器進行檢測？”這個問題學生會有很多的答案，因為位移的檢測用前面學過的傳感器都可以解決。

（2）導入新課

提出新的問題，并在幻燈片上用圖片進行展示：指紋識別、汽車安全氣囊、飛機油量檢測、管道液位高度等等，這些問題用現有的知識能不能夠解決？學生通過思考，發現用這些知識還不能夠解決這些問題，所以，激發學習好奇心，開始新課的興趣學習。

（3）書寫標題，并顧名思義，化繁為簡

在黑板上寫下標題“電容式傳感器”，并由“電容式”三個字的字面含意去猜測這種傳感器的工作原理：設法將被測量的變化轉換為電容量的變化。

（4）帶著問題引導學生學習

由電容的定義式可知，電容大小決定于：兩極板的正對面積、兩極板的間距、極板間介電常數三個量。所以，得出結論：電容式傳感器可以分為三種基本類型，變面積型、變極距型和變介電常數型。

（5）巧用動畫，直觀形象

對于每種類型的電容式傳感器，提供幻燈片及動畫演示，使學生能直觀生動地認知學習，切實理解掌握傳感器的工作原理。對于傳感器中關于靈敏度和非線性誤差的相關推導，由學生自己看書，只需得出結論，并知道解決矛盾的辦法。總之，在課堂上要教師講授和學生學習有效結合，提高學習的高效性。

（6）成果驗收

以小組的形式基于該傳感器設計一個簡單的檢測系統，小組進行匯報，同學及教師給予評價，以此給學生學習的壓力及動力，促使其主動學習。

6 結語

根據高職教育特點，傳統的教學模式已無法適應高職院校學生的特點及就業要求，因此，高職專業教師要不斷的以就業為導向，實施行動導向的教學模式改革，以不斷提高課堂教學的趣味性和有效性，使高職的教學質量上一個新臺階。

參考文獻

[1] 姜大源. 關于工作過程系統化課程結構的理論基礎[J].職教通訊，2006（1）.

[2] 姜大源. 工作過程系統化課程概念解析[J].中國職業技術教育，2008（27）.

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關鍵詞 光電傳感器；信息融合技術；實際應用研究

中圖分類號TP39 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708（2013）100-0209-02

光電傳感器因其靈敏輕便等優勢而被廣泛應用于自動化設備檢測裝置中。20世紀80年代，美國軍事領域開始應用光電傳感器信息融合技術；2013年3月15日，美國國防先期計劃研究局（DARPA）公布了在阿靈頓召開的已進入第二階段的MIST-LR項目會議，指出在未來的第三階段，將開發出能夠提升飛行器性能的原型系統傳感器，極大發揮其在民用和軍事兩個方面的助推器作用。

1 應用必要

第一，光電傳感器獲取信息的過程實際是一個多對一的對應抽樣過程，在將客觀世界空間的信息傳輸至傳感器這一過程中信息丟失的問題難以避免；第二，軍事領域中光電傳感器的數量龐大，急需處理的信息量也繁多冗雜，這些都會給人工處理帶來一定困擾，而光電傳感器信息融合技術的應用巧妙地解決了這一信息綜合處理的難題；第三，應用環境決定了光電傳感器性能發揮的好壞，但截至目前尚未有一個國家可以開發出適用于任何環境下且性能優于其他類型的光電傳感器。

2 概念優點

光電傳感器信息融合的過程正是為了完成目標分類、識別及跟蹤等任務而進行信息自動分析綜合處理的過程。軍事領域中的目標識別及跟蹤可以實現光電傳感器目標屬性中的監視功能，有利于精確定位與預估判決。我國航天技術的高速發展離不開當前最熱門的技術之一——航天技術上光電傳感器信息融合技術，它能夠有效提高空間的分辨率和系統的可靠性，無疑成為我國GDP增長的“助推器”。

3 工作原理

光電傳感器能夠有效檢測到光強度變化的情況并將光強度的變化轉換為電信號的變化。通常情況下，光電傳感器這種小型電子設備由三部分組成：發送器、接收器與檢測電路。發送器負責向目標發射來源于發光二極管、激光二極管及紅外射二極管等的光束，不間斷發射出的光束經過像光圈、透鏡這種光學元件后達到由光電二極管、光電三極管及光電池構成的接收器中，接收器接收到光束后會將其傳輸至能夠過濾該信號是否有效并決定是否應用的檢測電路。詳細流程見下圖所示。

需要強調的一點是發射板和光導纖維作為光電傳感器結構元件的一種也獨具特色。眾所周知，三角形的結構最為穩定，因此由極細小的三角錐體反射材料組成的三角反射板是一種能保證光束可以準確無誤地從反射板返回的發射裝置，其結構極其穩固且具有極強的實用性。

4 應用領域

4.1研制抄表系統

為及時結算用戶的電費，一般由電力部門派專門的抄表人員到有關用戶處定期走家串戶地查看、抄寫設置在現場的電能表，通過人工讀取、記錄、計算和收費。這不僅浪費人力，而且還會因人工讀取造成不必要的誤差，給用戶帶來不必要的麻煩和損失，甚至會發生不法分子假冒抄表人員入室作案而影響社會治安。因此，無論是電力部門還是用戶們均迫切要求改變當前的落后狀態。隨著微電子技術、傳感器技術、計算機技術及現代通訊技術的發展，可以利用光電傳感器來研制自動抄表系統。

電能表的鋁盤受電渦流和磁場的作用下產生的轉矩驅動而旋轉，采用光電傳感器則可將鋁盤的轉數轉換成脈沖數。如在旋轉的光亮的鋁盤上局部涂黑，再配以反射式光電發射接收對管，則當鋁盤旋轉時在局部涂黑處便產生脈沖，并可將鋁盤的轉數采樣轉換為相應的脈沖數，并經光電耦合隔離電路，送至CPU的T0端口進行計數處理。采用光電耦合隔離器可以有效地防止干擾信號進入微機，再結合其它傳輸方式便可形成自動抄表系統。目前自動抄表系統沒有大規模使用與當前的技術有莫大關系，這套技術還有很多需要改進之處，相信在未來幾年隨著技術的發展，自動抄表將在全國范圍內實現。

4.2節能燈具設計

光敏傳感器、紅外傳感器、顏色傳感器已進入各種自控節能LED照明系統的設計方案之中，它們的自主控制、方便應用使得不少公共照明LED燈具和居家照明燈具實現智能化。光電傳感器可以協助公共照明的LED燈具實現燈光的自動開啟關閉，可以智能的感應人和車輛進出而自動開關燈光，可以智慧的控制LED燈光開啟的時間和控制亮度，甚至按人類的意愿自動調整光線的色溫，營造人類想要的光氛圍。

4.2.1光敏傳感器應用

光敏傳感器中最簡單的電子器件是光敏電阻，它能感應光線的明暗變化，輸出微弱的電信號，通過簡單電子線路放大處理，可以控制LED燈具的自動開關。對于遠程的照明燈具，如街燈、庭院燈、草坪燈等都可經濟而簡單的實現節能自動控制。太陽能路燈本身是利用太陽光發電、儲能的LED照明燈具，無需電網供電也就無需架設成本不菲的輸電線路，因此使用光敏傳感器可以實現極低成本、自動開啟關閉的節能管理。

4.2.2紅外傳感器應用

紅外熱釋電傳感器（PIR）在LED照明中的應用已有近十年的歷史。紅外傳感器的視角有限，需要搭配菲涅爾透鏡才能擴大探測區，才能監視移動的熱源（人或車）。菲涅爾透鏡有兩個作用：一是聚焦作用，將熱釋紅外信號折射在PIR上；二是將探測區內分為若干個明區和暗區，使進入探測區的人能以溫度變化的形式在PIR上產生變化的熱釋紅外信號。

4.3航天技術應用

我國神舟十號發射成功后到與天宮一號的自動交會對接，2000多項航天技術成果移植國民經濟成為經濟發展“倍增器”，其中光電傳感器技術發揮了重要作用。神舟十號和天宮一號對接機構十分復雜，由上百個傳感器、上千軸承組合而成。對接任務要求嚴絲合縫且不能漏氣。另外考慮到飛行器在太空環境中失重要經歷高低溫的變化，因此必須保證對接時不出現故障。手控交會對接時要有精確的傳感器測量設備，不斷測量兩個飛行器之間的距離、相對速度和姿態等，稍有差池后果不堪設想。最后對接時，要求軸向誤差≤18cm。這些對航天員的身心都是極大的挑戰，要求他們具有極高的眼手協調性、操作精細性和過硬的心理素質等。在交會對接的過程中，航天員需要緊盯電視圖像，根據實時傳輸的數據讓兩個航天器一點點逼近，根據仔細計算決定速度變化方案完成交會對接，其中傳感器起到決定性作用，為實現航天夢奠定最強基礎。

4.4工業自動化裝置

光電傳感器具有非接觸、響應快、性能可靠等特點，在工業上常用于非接觸測量物位、距離和條碼等信息，因此在工業自動化裝置和機器人中獲得廣泛應用。隨著現代檢測技術的發展出現了很多新型的光電傳感器，特別是CCD圖像傳感器的誕生，為光電傳感器的進一步應用開創了新的一頁。相關應用行業的系列產品如下：

1）光電式煙霧報警器。沒有煙霧時，發光二極管發出的光線直線傳播，光電三極管沒有接收信號，沒有輸出；有煙霧時，發光二極管發出的光線被煙霧顆粒折射，使三極管接受到光線，有信號輸出，發出報警。如今頻遭吐槽的霧霾天氣說明環境污染問題嚴重，而光電式煙霧報警器則可通過光在煙道里傳輸過程的變化檢測到煙道中的煙塵濁度；2）點鈔機的計數傳感器。具有結構微型化、操作簡便化、使用耐用型等特點的點鈔機在我們的日常生活中應用頻繁，其不光在金融機構中被大量使用，也逐漸成為一些大型企事業單位必備的辦公用品，成就其的正是結構簡單、響應速度快、精確度高的光電傳感器。點鈔機的技術傳感器采用兩組由一個紅外發光二極管和一個接收紅外光的光敏三極管組成的紅外光電傳感器，沒有鈔票時，接收管受光照導通而輸出為0；有鈔票時，接收管光通量不足而輸出為1且產生一個脈沖信號，經檢測電路輸入至負責計數和顯示的單片機。只有不斷提升光電傳感器的性能，才能滿足商業經濟和財務自動化日新月異變化而產生的高要求。

參考文獻

[1]黃斌.基于多傳感器信息融合的節能控制系統.測控技術，2013（4）.

[2]趙娟妮.多傳感器數據融合技術及其在光伏電站監控系統中的應用.科技信息，2013（7）.

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關鍵詞：觸摸屏；投射電容式觸摸屏；觸摸屏控制器

觸摸屏廣泛應用于我們日常生活各個領域，如手機、媒體播放器、導航系統、數碼相機、數碼相框、PDA、游戲設備、顯示器、電器控制、醫療設備等等。

通用的觸摸屏包括適用于移動設備和消費電子產品的電阻式觸摸屏和投射電容式(projected capacitive)觸摸屏以及用于其他應用的表面電容式(surface capacitive)觸摸屏、表面聲波(SAW)觸摸屏和紅外線觸摸屏。

電阻式觸摸屏

應用比較多的電阻式觸摸屏(圖1)具有空氣間隙和間隔層的兩層ITO(Indium TinOxide，銦錫氧化物)。電阻式觸摸屏是大量應用、經過驗證、低成本的技術。其缺點是：薄弱的機械性能；堆疊厚，相對較為復雜；不能檢測多個手指的動作；前面板實現方案易損壞；有限的工業設計選項；光學性能不良；需要用戶校準。

投射電容式觸摸屏

觸摸屏的電容觸摸控制采用一個用傳導物質(如ITO)做涂層的表面來存儲電荷。傳導物質沿屏的X軸和Y軸傳導電流。當傳導(如手指)觸摸時控制電場發生變化，而且可以確定沿水平軸和垂直軸觸摸的位置。在帶按鍵觸摸位置的應用中，把分立的傳感器放置在特定按鍵位置的下面，當傳感器的電場擾時系統記錄觸摸和位置。投射電容式觸摸屏示于圖2。

投射電容式觸摸屏比其他觸摸屏技術的優勢是：

?出色的信噪比；

?整個觸摸屏表面具有高精度；

?能夠支持多個觸摸；

?通過“厚的”電介質材料進行感應；

?無需用戶校準。

QTOUCh技術

QTouch技術是Atmel觸摸技術部前身Quantum(量研科技)的專利。所開發的集成電路技術是基于電荷一傳輸電容式感測。QTouch IC檢測用傳感器芯片和簡單按鍵電極之間單連接來檢測觸摸(圖3)。QTouch器件對未知電容的感測電極充電到已知電位。電極通常是印刷電路板上的一塊銅區域。在1個或多個電荷一傳輸周期后測量電荷，就可以確定感測板的電容。在觸摸表面按手指，導致在該點影響電荷流的外部電容。這做為一個觸摸記錄。也可確定QTouch微控制器來檢測手指的接近度，而不是絕對觸摸。判斷邏輯中的信號處理使QTouch健全和可靠。可以消除靜電脈沖或瞬時無意識觸摸或接近引起的假觸發。

QTouch傳感器可以驅動單按鍵或多按鍵。在用多按鍵時，可以為每個按鍵設置1個單獨的靈敏電平。可以用不同大小和形狀的按鍵來滿足功能和審美要求。

QTouch技術可以采用兩種模式：正常或“觸摸”模式和高靈敏度或“接近”模式。用高靈敏電荷傳輸接近感測來檢測末端用戶接近的手指，用用戶接口中斷電子設備或電氣裝置來啟動系統功能。

為了優異的電磁兼容，QTouch傳感器采用擴頻調制和稀疏、隨機充電脈沖(脈沖之間具有長延遲)。單個脈沖可以比內部串脈沖間隔短5％以上。這種方法的優點是較低的交叉傳感器干擾，降低了RF輻射和極化率，以及低功耗。

QTouch器件對于慢變化(由于老化或環境條件改變)具有自動漂移補償。這些器件具有幾十的動態范圍，它們不需要線圈、振蕩器、RF元件、專門纜線、RC網絡或大量的分立元件。QTouch做為一個工程方案，它是簡單、耐用、精巧的方案。

在幾個觸摸按鍵互相靠近時，接近的手指會導致多個按鍵的電容變化。Atmel專利的鄰鍵抑制(AKS)采用迭代技術重復測量每個按鍵上的電容變化，比較結果和確定哪個按鍵是用戶想要的。AKS抑制或忽略來自所有其他按鍵的信號，提供所選擇按鍵的信號。這可防止對鄰鍵的假觸摸檢測。

觸摸屏系統設計

一個觸摸屏系統包括：前面板、傳感器薄膜、顯示單元、控制器板和集成支持(圖4)。

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關鍵詞：加速度　差容式　力平衡　傳感器

加速度傳感器是用來將加速度這一物理信號轉變成便于測量的電信號的測試儀器。它是工業、國防等許多領域中進行沖擊、振動測量常用的測試儀器。

1、加速度傳感器原理概述

加速度傳感器是用來將加速度這一物理信號轉變成便于測量的電信號的測試儀器。差容式力平衡加速度傳感器則把被測的加速度轉換為電容器的電容量變化。實現這種功能的方法有變間隙，變面積，變介電常量三種，差容式力平衡加速度傳感器利用變間隙，且用差動式的結構，它優點是結構簡單，動態響應好，能實現無接觸式測量，靈敏度好，分辨率強，能測量0.01um甚至更微小的位移，但是由于本身的電容量一般很小，僅幾pF至幾百pF，其容抗可高達幾MΩ至幾百MΩ，所以對絕緣電阻的要求較高，并且寄生電容（引線電容及儀器中各元器件與極板間電容等）不可忽視。近年來由于廣泛應用集成電路，使電子線路緊靠傳感器的極板，使寄生電容，非線性等缺點不斷得到克服。

差容式力平衡加速度傳感器的機械部分緊靠電路板，把加速度的變化轉變為電容中間極的位移變化，后續電路通過對位移的檢測，輸出一個對應的電壓值，由此即可以求得加速度值。為保證傳感器的正常工作.，加在電容兩個極板的偏置電壓必須由過零比較器的輸出方波電壓來提供。

2、變間隙電容的基本工作原理

如式2－1所示是以空氣為介質，兩個平行金屬板組成的平行板電容器，當不考慮邊緣電場影響時，它的電容量可用下式表示：

由式（2－1）可知，平板電容器的電容量是 、A、 的函數，如果將上極板固定，下極板與被測運動物體相連，當被測運動物體作上、下位移（即 變化）或左右位移（即A變化）時，將引起電容量的變化，通過測量電路將這種電容變化轉換為電壓、電流、頻率等電信號輸出根據輸出信號的大小，即可測定物移的大小，若把這種變化應用到電容式差容式力平衡傳感器中，當有加速度信號時，就會引起電容變化 C，然后轉換成電壓信號輸出，根據此電壓信號即可計算出加速度的大小。

由式（2－2）可知，極板間電容C與極板間距離 是成反比的雙曲線關系。由于這種傳感器特性的非線性，所以工作時，一般動極片不能在整個間隙，范圍內變化，而是限制在一個較小的  范圍內，以使  與 C的關系近似于線性。

它說明單位輸入位移能引起輸出電容相對變化的大小，所以要提高靈敏度S應減少起始間隙 ,但這受電容器擊穿電壓的限制，而且增加裝配加工的困難。

由式（2－5）可以看出，非線性將隨相對位移增加面增加。因此，為了保證一定的線性，應限制極板的相對位移量，若增大起始間隙，又影響傳感器的靈敏度，因此在實際應用中，為了提高靈敏度，減小非線性，大都采用差動式結構，在差動式電容傳感器中，其中一個電容器C1的電容隨位移 增加時，另一個電容器C2的電容則減少，它們的特性方程分別為：

可見，電容式傳感器做成差動式之后，非線性大大降低了，靈敏度提高一倍，與此同時，差動電容傳感器還能減小靜電引力測量帶來的影響，并有效地改善由于溫度等環境影響所造成的誤差。

3、電容式差容式力平衡傳感器器的工作原理與結構

3.1工作原理

如圖1所示，差容式力平衡加速度傳感器原理框圖

電路中除了所必須的電容，電阻外，主要由正負電壓調節器，四運放放大器LT1058，雙運放op270放大器組成。

3.2差容式力平衡傳感器機械結構原理

由于差動式電容，在變間隙應用中的靈敏度和線性度得到很大改善，所以得到廣泛應用。如圖2所示為一種差容式力平衡電容差容式力平衡傳感器原理簡圖。主要由上、下磁鋼，電磁鐵，磁感應線圈，彈簧片，作電容中間極的質量塊，覆銅的上下極板等部分組成。傳感器上、下磁鋼通過螺釘及彈簧相連，作為傳感器的固定部分，上，下極板分別固定在上、下磁鋼上。極板之間有一個用彈簧片支撐的質量塊，并在此質量塊上、下兩側面沉積有金屬（銅）電極，形成電容的活動極板。這樣，上頂板與質量塊的上側面形成電容C1，下底板與質量塊下側面形成電容C2，彈簧片一端與磁鋼相連，另一端與電容中間極相連，以控制其在一個有效的范圍內振動。由相應芯片輸出的方波信號，經過零比較后輸出方波，此方波經電容濾除其中的直流電壓，形成對稱的方波，該對稱的方波加到電容的一個極板上，同時經一次反向后的對稱波形加到另一個極板上。

當沒有加速度信號時，中間極板處于上、下極板的中間位置C1＝C2，C＝0后續電路沒有輸出；當有加速度信號時，中間極板（質量塊）將偏離中間位置，產生微小位移，傳感器的固定部分也將有微小的位移，設加速度為正時，質量塊與上頂板距離減小，與下底板距離增大，于是C1＞C2，因此會產生一個電容的變化量C，C由放大電路部分放大，同時，將放大電路的輸出電流引入到反饋網絡。由于OP270的腳1和16分別與線圈兩端相連，當有電流流過線圈時，將產生感應磁場，就會有電磁力產生。因為上、下磁鋼之間有彈簧，所以在電磁力的作用下將使磁鋼回到沒有加速度時的位置，即此時的電容變化完全有加速度的變化引起，同時由于線圈與活動極板通過中心軸線相連，所以在電磁力的作用下，使中間極向產生加速度時的位移的相反的方向運動，即相當于在C的放大電路中引入了負反饋，這樣，使傳感器的測量范圍大大提高。因此，對于任何加速度值，只要檢測到合成電容變化量C，便能使活動極板在兩固定極板之間對應一個合適的位置，此時后續電路便輸出一個與加速度成正比的電壓，由此電壓值就可以計算出加速度的大小。

4、力平衡傳感器實際應用

哈爾濱北奧振動技術是專門從事振動信號測量的專業公司，它們應用這種差容式力平衡原理開發出的力平衡加速度傳感器實現的主要性能指標如下：

測量范圍：±2.0g，±0.125g，±0.055g

靈敏度：BA-02a:±2.5V/g、±40.0V/g

BA-02b1:±40.0V/g（差動輸出）

BA-02b2:±90.0V/g（特定要求，高靈敏度）

頻響范圍：DC-50Hz（±1dB）

絕對精度：±3％FS

交叉干擾：小于0.3%

線性度：優于1%

噪聲：小于10μV

動態范圍：大于120dB

溫漂：小于0.01%g/g

電源：±12V-±15V @30.0mA

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關鍵詞：觸摸屏 觸控技術 電容屏 電阻屏

中圖分類號：TN752 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2014）03-0012-02

一、引言

觸摸屏又稱為“觸控屏”、“觸控面板”，是一種代替了鼠標和鍵盤的與計算機溝通的設備。觸摸屏作為一種最新的電腦輸入設備，它是目前最簡單、方便、自然的一種人機交互方式。

觸摸屏在全球范圍內有廣泛的應用領域，從工廠設備、電子查詢設施，到移動電話、數碼相機、

手機等都可看到觸控屏幕的身影。其廣泛應用也標志著計算機應用普及時代的真正到來。

二、 觸控屏組成

觸摸屏由觸摸檢測部件和觸摸屏控制器組成，觸摸檢測部件安裝在顯示器屏幕前面，用于檢測用戶觸摸位置，接受后送觸摸屏控制器；而觸摸屏控制器接收從觸摸點檢測裝置上穿了送來的觸摸信息，并將它處理轉換成觸點坐標，再通過接口傳送給中央處理器CP同時能接收CPU發來的命令并加以執行。觸摸屏的基本組成如圖1所示，包括以下幾個部分：

1.前面板或外框

前面板或外框是終端產品的最表層。在某些產品中，該外框將透明的蓋板圍起來，以免受到外部的惡劣氣候或潮濕的影響，也防止下面的傳感產品受到刻劃以及破壞。

2.觸控控制器

通常，觸控控制器是一個小型的微控制器芯片，它位于觸控傳感器和PC/或嵌入式系統控制器之間。該芯片可以裝配到系統內部的控制器板上。該觸控控制器將提取來自觸控傳感器的信息，并將其轉換成PC或嵌入式系統控制器能夠理解的信息。

3.觸控傳感器

觸控屏“傳感器”是一個帶有觸控響應表面的透明玻璃板。該傳感器被安放到LCD上面，使得面板的觸控區域能覆蓋顯示屏的可視區域。基本上，這些技術都是在觸控時，使電流流過面板，從而產生一個電壓或信號的變化。這個變化將被觸控傳感器感應并傳輸，從而確定屏幕上的觸控位置。

4.液晶顯示器（LCD）

絕大多數的觸控屏系統用于傳統的LCD上。用于觸控產品的LCD選擇方法與傳統系統中基本相同，包括分辨率，清晰度，刷新速度，成本等。

除了包括上說所列的硬件部分以外還包含系統軟件，軟件應保證觸控屏和系統控制電路一起工作，使得產品的操作系統能夠接受并處理來自觸控控制器的觸控事件信息。

三、觸控屏主要特性

從技術原理角度來講，觸摸屏是一套透明的絕對定位系統。

1.透明性

首先它必須保證是透明的，因此它必須通過材料科技來解決透明問題，“透明”，在觸摸屏行業里，僅用透明一點來概括它的視覺效果是不夠的，它應該至少包括四個特性：透明度、色彩失真度、反光性和清晰度。

2.定位絕對性

其次它是絕對坐標，手指摸哪就是哪，不需要第二個動作，不像鼠標，是相對定位的一套系統。

3.感應性

再者觸摸屏的第三個特性是檢測觸摸并定位，各種觸摸屏技術都是依靠各自的傳感器來工作的，甚至有的觸摸屏本身就是一套傳感器。各自的定位原理和各自所用的傳感器決定了觸摸屏的反應速度、可靠性、穩定性和壽命。

從目前觸摸屏的應用中，人們對觸摸屏的性能要求也越來越理性化，不斷提高與滿足光學特性、耐久性以及可靠性等指標已成為觸摸屏制造者不可忽略的因素。

四、觸控技術的主流類型及其應用

按照觸摸屏的工作原理和傳輸信息的介質，觸摸屏主要分為四種，它們分別為紅外線式、表面聲波式、電阻式和電容感應式。每一類觸摸屏都有其各自的優缺點，都利用ITO做為組件的核心部分，發揮著重要作用。

1.電阻式觸控技術

電阻式觸控技術是最常用的觸控屏技術。由于是對壓力起反應，可以用手指，帶手套的手，觸控筆，或者像信用卡這類的其它的物體進行觸摸接觸。圖2表示了電阻觸控屏的結構，圖3表示一般電阻觸控屏的系統示意圖。

1.1電阻式觸控技術工作原理

由電阻觸摸屏的側面結構剖視圖看出，見圖2，它是由一層玻璃作為基層，玻璃表面涂有一層ITO透明導電層，上面在覆蓋一層很薄的有彈性的PET薄膜，在PET的內表面也涂有一層ITO導電層，在這兩層ITO導電層之間有許多細小的透明隔離點，使得兩ITO導電層絕緣。手指觸摸按壓的表面是一個硬涂層，用以保護下面的PET層。當我們用手指按壓屏幕時，PET薄膜會向下彎曲，并使得下面的兩層ITO涂層能夠相互接觸并在該點使上下層電路導通。

在實際工作中，在兩層ITO工作面的四周邊緣各加裝兩條導電線路，經控制器分別于兩端各設定一直流電壓，為兩個工作面分別構建一個均勻的電場，形成均勻連續的平行電壓分布。如圖4a所示，當我們用手指觸摸屏幕時，壓力使兩層導電層在接觸點的位置有了電路導通，電阻發生了變化，利用電阻分壓原理，產生了模擬電壓信號，即觸摸傳感器工作將壓力感應轉換為電壓信號，見圖4b，該信號由控制器處理，進行A/D轉換，測量出接觸點的模擬電壓值VMEAS，再根據這個電壓值和VREF電壓值的比例公式就能計算出觸摸點的X軸和Y軸的坐標，從而確定觸摸點的具置進而向主機請求輸入響應，由主機負責執行完成用戶操作。

1.2電阻式觸控特點、種類和應用

電阻式觸摸屏上下兩層采用貼合密封，信號的產生是在夾層中間，所以它可以不受塵埃、水、污物的影響，精確度高，反應靈敏，工作穩定性高。

在圖4a中，A或B面兩個邊緣的條形電極稱為感應線，根據觸摸屏上的感應線數量，電阻式觸摸屏可再分為三大類，分別是4線、5線和8線。4線觸摸屏的條形電極安裝在兩個不同的導電電阻層（X+、X-在同一層，Y+、Y-另一個電阻層上），即如該圖所示；5線觸摸屏只在底層上有圓形電極（X+、X-、Y+和Y-），頂層用于在觸摸過程中測量電壓，電場電壓只施加在底層上。

8線觸摸屏的工作原理與4線觸摸屏相似。只是給每一條線增加一個參考電壓線，所以最后的總線數達到8條。新增的4條線分別用于給原來的4條線提供參考電壓。

因為成本低廉，觸摸感應算法簡單，4線觸摸屏被廣泛用于低端消費電子產品。 5線和8線觸摸屏主要用于昂貴的高端醫療設備和重要的工業控制器。

2.電容式觸控技術

電容式觸摸屏與傳統的電阻式觸摸屏有很大區別。電阻式觸控屏幕需靠施力將二塊ITO接觸在一起；而電容式觸摸屏只要用指腹輕輕碰觸書寫即可，同時能進行多點觸控。

2.1電容式觸控技術工作原理

電容式觸控屏可以簡單地看成是由四層復合屏構成的屏體：最外層是玻璃保護層，接著是ITO導電層，第三層是不導電的玻璃屏，最內的第四層也是ITO導電層。其中，最內導電層是屏蔽層，屏蔽內部電氣信號，中間的導電層是感應工作層，在其四個角或四條邊上引出四個電極，負責觸控點位置的感應。

工作時在導電層內部建立一個低電壓高頻交流電場，當用戶觸摸電容屏時，由于人體電場，用戶手指和工作面形成一個耦合電容（0.1～2個pF單位微小的感應電容），對于高頻電流來說，電容是直接導體，就會有一定量的電荷轉移到人體，產生一定的感應電流。這個電流從工作面的四角上的電極中流出，并且流經這四個電極的電流與手指到四角的距離成正比，控制器通過對這四個電流比例的精確計算，得出觸摸點的位置，完成輸入請求。電容屏的工作示意圖如圖5所示。

2.2電容式觸控特點、種類和應用

基于電容式觸控屏的結構和工作原理，此類觸摸屏特點鮮明。電容觸摸屏的雙玻璃使得透光性較高，防塵、防水、耐磨等方面較好，耐用度高。

電容觸控屏技術分為兩種：表面電容技術和投射電容技術。

表面電容技術，即它的架構相對簡單，采用一層ITO 玻璃為主體，至少有四個電極，在玻璃四角提供電壓，在玻璃表面形成一個均勻的電場，檢測出觸控坐標的位置。因為它采用了一個同質的感應層，而這種感應層只會將觸控屏上任何位置感應到的所有信號匯聚成一個更大的信號，此類架構決定了表面電容式技術無法實現多點觸控功能。

投射電容技術仍是以電容感應為主，但相較于表面電容式觸摸屏，投射電容式觸摸屏采用多層ITO 層，形成矩陣式分布，以X 軸、Y軸交叉分布做為電容矩陣，當手指觸碰屏幕時，可通過X、Y軸的掃描，檢測到觸碰位置電容的變化，進而計算出手指之所在。基于此種架構，投射電容可以做到多點觸控操作。

電容式觸摸屏以支持多點觸摸和識別迅速在消費便攜式終端設備中得到廣泛應用，電容式觸摸屏的應用也不會僅僅是現有的手機、隨身影音播放器等產品。

五、未來的觸控技術

從1974開始出現世界最早的電阻式觸摸屏以來，觸摸屏的技術經歷了從低檔向高檔發展的歷程，應用范圍也較多體現在工業控制和消費電子產品上。觸摸屏技術未來的主要發展方向可以由技術和應用這兩方面來介紹。

在應用層面上發展多觸點觸摸技術，提高使用效率；另外還提出了混合式觸控技術和觸覺反饋技術的概念，前者旨在在一塊觸控面上采用兩種或者兩種以上的觸控識別技術，達到多種觸控技術之間實現優劣互補的目的，后者在可以為人們帶來便捷的操作方式和良好的視覺效果的同時， 給用戶一個觸覺反饋。

在技術層面，觸摸屏與平板顯示器FPD產業的進一步結合已經成為必然。內嵌式結構觸控技術要利用多種技術將觸摸傳感器與顯示器件融為一體，對相關器件的設計和制造都會提出更大的變革，雖然目前還沒有實現商業化，但是這種結構的觸控技術仍然是未來觸控技術的發展方向。

六、結束語

觸控技術是集光學、化學、電子學、材料學等學科技術于一體的技術，為用戶提供便捷、穩定和精確的人機交互操作方式是新技術追求的動力，伴隨著移動互聯網技術，人們的日常生活已經接入“觸”手可及的后信息化時代。

參考文獻

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關鍵詞：寬頻帶；　氣體型次聲傳感器；　氣體管道；　振動靈敏度

中圖分類號：TN91134 文獻標識碼：A 文章編號：1004373X（2012）22011903

本文介紹一種寬頻帶的次聲傳感器，可用于高壓氣體管道的泄漏檢測。次聲傳感器是可把聲能轉換成電能的裝置，是次聲［1］研究中的必要設備，也是精確的信號采集、特征分析和聲波源定位的基礎。目前常用的傳感器有以下幾種：電容感應型［24］、光纖型［5］、振動感應型［6］。本文介紹的CASI2012氣體管道測漏傳感器是一種電容式的傳感器，這種傳感器體積較小、靈敏度高、頻響曲線較為平直、對振動不敏感，與數字化儀配合使用可快速實現數據的A/D轉換，使用方便。

1　傳感器原理及電路結構

1.1　基本原理

CASI2012型傳感器如圖1所示，使用電容感應的換能方式，頻率響應為勁度控制，即感應膜片彈性的倒數。在勁度控制的系統中，第一共振頻率以下可以有較平直的響應，所以下限頻率可以很低，接近于零，涵蓋了次聲頻段的大部分（0.5～20　Hz），這個特點使得電容型換能器件非常適合應用于次聲傳感器研制。

圖1　CASI2012型傳感器由于換能元件的膜片非常輕薄，所以傳感器的靈敏度可以達到很高的水平，同時使得傳感器僅對聲波敏感，而對各種振動不敏感。在一般的設計中，傳感器自身的物理振動可能會對聲學測量帶來極大地干擾，所以減小傳感器對振動的靈敏度是有著非常現實的意義的，這將極大的提升傳感器的性能。CASI2012型傳感器所用的換能器件如圖2所示，它將次聲波引起的敏感膜振動導致的電容量變化轉變成電信號輸出。

傳感器設計應考慮兩個因素［78］：一是待測聲壓的等級，因為實際測試時得到的是傳聲器的輸出電壓，然后根據靈敏度求得聲壓；二是測試頻段內的頻率響應曲線應盡量平直，頻率響應曲線平直可避免對每個頻率點作輸入聲壓與輸出電壓的校準，使數據測量和計算更為簡便。

圖2　CASI2012型傳感器所用的換能器件1.2　電路結構

為了獲得傳感器電容量的緩慢變化信號，進行了信號調理電路的設計，如圖3所示。在換能器件上加載高頻正弦信號，載波信號產生電路由LF253N及相應電路組成，采用調幅原理，電橋的一個橋臂為傳感器電容，當傳感器接收次聲信號時，電橋失衡產生相應變動的調幅波，調幅波進入偏置電路，消除輸出信號的零漂，消除了零漂的調幅波經過解調器解調后，再經過放大、帶通濾波電路以及電壓跟隨器電路，就得到了低頻頻段的電壓信號。

圖3　CASI2012型傳感器的信號調理電路駐極體傳聲器是一個置于傳感器連接器和傳感器調理電路之間的一個敏感頭，是傳感器的信號感應部位。駐極體傳聲器振膜與極板之間的電容量比較小，一般為幾十pF，因而這個電信號輸出阻抗很高，信號幅度很弱。因此不能將駐極體傳聲器的輸出直接與音頻放大器相接。而場效應晶體管具有輸入阻抗極高、噪聲系數低的特點，因此一般接入一只輸入阻抗極高的結型場效應管用來放大駐極體電容產生的電壓信號，同時以比較低的阻抗在源極S或者漏極G輸出信號，實現阻抗變換。前置放大器一方面是對電容傳聲器頭輸出的信號進行預放大，另一方面是是將電容頭的高輸出阻抗轉換為低阻抗輸出。

微型前置放大器的電路主要包括三個部分，第一部分是場效應管組成的阻抗變換電路，第二部分是放大濾波電路，第三部分是射隨電路。微型前置放大器的原理如圖4所示。

2　傳感器性能指標

2.1　靈敏度

電容式次聲傳感器的換能器件的輸出并不與膜片的振幅A成正比，而是與膜片的平均位移成某種比例。設電容的極間距為L，平均位移為λ，在低頻（ω（1）

Zm=πr2Z+8πτ－jω－jω4πr2σm3+1jωCm

（2） 將式（2）代入式（1）中，化簡后得：λ=726Pω201σm

（3） 次聲傳感器靈敏度表達式為：S=λL=726PLω201σm

（4） 可見靈敏度S與聲壓P成正比，與極間距L、第一共振頻率ω01的平方以及膜片面密度σm成反比。由式（4）看出，儀器的靈敏度取決于極間距和膜片的聲順。空腔聲順在容積一定時是不變的，所以膜片聲順是決定性因素。圓形膜片聲順與膜片直徑、面密度及張力有關。在直徑、材料和厚度固定的條件下，為使同一批次聲傳感器有相同的靈敏度，只需調節每個膜片的張力使其第一共振頻率f01一致即可。

圖4　微型前置放大器原理框圖電容次聲傳感器的實際靈敏度可以在實驗室條件下通過次聲校準裝置直接測量，若是在現場條件可以采用便攜式校準器直接校準。因為傳感器在頻帶內的曲線較平直，所以只需測量在聲壓級為94　dB（1　Pa）時頻帶內的某個頻率點即可。

2.2　頻率響應

次聲傳感器的第一共振頻率在膜片最低撐平張力時，已遠高于系統的上限頻率300　Hz。因此對于次聲傳感器而言，頻帶的上限截至頻率很好控制，一般無需過多考慮。需要控制的是其下限截至頻率：flow=1T=1RCs

（5）式中：T為下限截至頻率的周期；R為腔體均壓孔的聲阻；Cs為腔體聲順。

CASI2012型傳感器的3　dB帶寬保持在0.8～300　Hz，而這正處在氣體管道泄漏所產生的低頻信號范圍內，經測量其頻響曲線如圖5所示。

2.3　動態范圍

動態范圍的上限由極間距決定，平行板電容器的基本關系式為C=S4πD，式中S為極板面積，D為極間距。ΔC/C可視為次聲傳感器的靈敏度，在小信號情況下有ΔC/C=λD+（λ/D）2+…，只要滿足λD≤110，即可認為膜片振動是小振幅，系統為線性系統，此時傳感器的畸變遠低于3%。動態范圍的下限取決于整個系統的噪聲，包括換能器件本身以及放大電路。通常換能器件自身的噪聲要遠遠小于電路噪聲，所以一般動態范圍的下限由放大電路的電噪聲決定。

圖5　CASI2012型傳感器頻率響應曲線2.4　零漂

在實際工作中，環境溫度變化較大，因而傳感器很容易產生零點漂移。電容式傳感器是一種勁度控制儀器，其勁度控制由兩部分組成：感應器件的膜片緊張度和封閉腔室的彈性。前者通過采用特定的正確材料即可保證在使用壽命內維持穩定狀態，后者則受外界溫度的影響很大，較難解決。

由氣體定律PV=RT可知，溫度變化必然導致腔內壓力發生變化，感應器件的勁度隨之改變，從而引起零點漂移。要想減小這種溫度變化造成的不利影響，需盡可能地減少外界環境與密閉腔體的溫度交換，CASI2012型次聲傳感器對其中的換能器件實施了絕熱處理，利用一種不易導熱的玻璃纖維制成的材料將換能器件包裹，進而極大地降低了能量交換。相比于未做該處理的情形，經處理后的傳感器在耐久性試驗中表現優異，而且還進一步降低了振動對次聲測量的影響。

3　傳感器性能測試

為驗證CASI2012型次聲傳感器的設計性能，在中科院聲學所的香山強聲實驗室的壓力艙內，對傳感器進行測試［9］。　在輸入振動頻率為10　Hz次聲波的密封艙內，94　dB聲壓級的情況下，CASI2012型次聲傳感器準確測得了該頻率點的次聲信號，且有著極高的信噪比，如圖6所示。

圖6　10　Hz次聲環境下傳感器的測量結果4　結　語

該設計在后期的信號處理電路中加入了一種可調電容的設計，使得次聲傳感器成為一種工作起點可相互校準的傳感器，提高了一致性和測量精度；采用特種絕熱材料處理的方法成功地保障了換能器件腔內的溫度相對恒定，進而改善了次聲傳感器的零漂問題。

參　考　文　獻

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關鍵詞：傳感器；智能遙控器

中圖分類號：TP872

1 傳感器特性及原理

近兩年來涌現出來可用于智能遙控器的各類傳感器主要有以下幾類：電容式傳感器、電壓式傳感器、電磁式傳感器、加速度傳感器、角速度傳感器、地磁傳感器、OFN（手指光電導航）、聲音傳感器等；其中電容式傳感器、加速度傳感器、角速度傳感器、OFN這四類被應用得最為廣泛。

1.1 電容式傳感器

電容式傳感器在原理上其基本構成包括了一個接收器Tx與一個發射器Rx，在接收器與發射器走線之間會形成一個電場。當有物體靠近時，電極的電場就會發生改變，從而感應出物體的位移變化量。或者通過改變兩電極距離來改變接收器和發射器之間的電場變化，從而通過電場的變化量來計算兩電極距離的變化量。

1.2 加速度傳感器

多數加速度傳感器是根據壓電效應的原理來工作的。所謂的壓電效應就是“對于不存在對稱中心的異極晶體加在晶體上的外力除了使晶體發生形變以外，還將改變晶體的極化狀態，在晶體內部建立電場，這種由于機械力作用使介質發生極化的現象稱為正壓電效應”。一般加速度傳感器就是利用了其內部的由于加速度造成的晶體變形會產生電壓這個特性。只要計算出產生電壓和所施加的加速度之間的關系，就可以將加速度轉化成電壓輸出。

1.3 角速度傳感器

不同的公司開發的角速度傳感器其結構及工藝會有較大的不同，三菱電子公司開發的角速度傳感器為玻璃一硅一玻璃結構，其諧振部分是一個用浸蝕①法制成的硅梁，通過外置振蕩器激發，其諧振頻率約為4KHz。梁的厚度與硅片相同，它的寬度和長度通過浸蝕加工來決定。硅梁和玻璃支架的連接采用了真空下的陽極焊接工藝，以確保其固有頻率變化很小。角速度的變化可根據硅梁振動頻率變化引起的梁兩側玻璃支架上金屬電極間的電容變化值測出。傳感器電路由電容電壓（C—V）轉換器和同步解調器構成。C—V轉換器是一個轉換電容的比較器（ASIC）。

1.4 OFN（Optical Finger Navigation）

OFN模組，通常由紅外LED光源、遮光觸摸面板、光學透鏡組和具有光敏陣列的片上處理/控制芯片組成，一般制作在便于集成應用的柔性線路FPC（Flexible Printing Circuit）板上。OFN模組的工作原理如下：當手指接觸遮光觸摸面板，光敏陣列檢測到有目標活動，喚醒片上系統SoC投入正常工作狀態，紅外LED發光，啟動檢測光路，通過光學透鏡組的折射和聚焦，由光敏陣列得到一幕一幕的圖像數據信息；SoC從中抽象出不同的運動矢量MV（Motion Vector），進而根據運動矢量在時間和空間上的相關性，計算出每次手指移動的平面相對量，形成運動數據，并及時通過數據接口向外傳輸出去。手指移出后，光敏陣列通過檢測無目標活動還可以使SoC轉入休眠狀態，以節省功耗。

2 智能遙控器的功能需求分析

隨著智能電視日漸成熟，傳統遙控器已無法滿足人們控制智能電視的需求。因此，為滿足不同使用人群的需要，設計一系列智能遙控器迫在眉睫。首先智能遙控器應具有簡單、直觀、人性化的操作界面。不需復雜的使用學習，用戶便可輕易上手，隨心所欲遨游在網絡和電視之間。其次隨著功能追求的多樣化，還需智能遙控器搭載慣性傳感器[1]（加速度計和陀螺儀），可實現手勢識別、空中鼠標及體感互動等功能。可以說智能遙控器已經具備讓傳統電視遙控器、電腦滑鼠及鍵盤完美結合為一體的功能。

3 傳感器在智能遙控器上的典型應用的初步設計

通過以上的功能需求分析，對于一般遙控器需要有部分按鍵功能，在部分網絡及智能應用中需要使用鼠標功能，同時在Android系統中用戶需要快速中切換屏幕，這就要求需要遙控器還要具有滑動操控功能。現在我們就基于以上功能需求進行智能遙控器的系統設計：

3.1 系統框圖設計

根據以上需求分析初步設計系統框圖，如圖1：

3.2 實現分析

鍵盤矩陣模塊主要實現基本按鍵功能，一般通過中斷方式進行監聽是否有按鍵盤操作，當收到中斷時，表明遙控器有按鍵操作，這時主MCU中通過軟件啟動按鍵掃描，通過逐行掃描及逐列判斷，檢測出具體是哪一個按鍵作，軟件再根據不同的按鍵進行相應的操作或發送相應的數據。

電容觸摸模塊的功能實現和鍵盤矩陣原理有些類似，其基本原理是通過多個電容感應傳感觸點組成一個感應矩陣區，當電容觸摸模塊有效時，電容感應專用的MCU會定期對每個傳感觸點上的電容量進行掃描，如果有檢測到某此傳感觸點上的電容值變化超過設定的閥值時，則立即啟動所有的傳感觸點的快速掃描，將所有的傳感謝觸點的變化值記錄下來，同時結合硬件上傳感觸點的矩陣分布，通過對每一個傳感觸點電容值的變化分析，確定電容變化點在模塊上的分布狀況，從而分析用戶在模塊上的操控軌跡；最終通過分析用戶操控的軌跡來判斷用戶最終的操控意圖。基于這種原理，在一個很小的觸摸區域內，可以通過簡單的算法實現用戶的以下基本操作：上、下、左、右滑動，同時還可能識別用戶滑動的速度變化及快慢。

三軸加速度及三軸陀螺儀模塊主要用于實現空中鼠標功能。所謂的空中鼠標就是用戶通過在空中移動遙控器來操控鼠標的功能。從原理上來看，其實現的最終目的是需要將用戶在空間的三維移動轉變為二維移動。從實際經驗來看，要實現較好的操控體驗，需要將三軸加速度傳感器和三軸陀螺儀傳感器結合起來使用，因為在一個三維的移動過程中，需要考慮的因素主要有：方向變化、速度變化、以及角度的變化。簡單通用的算法中一般可以通過加速度傳感器的數據變化可以分析用戶操作時的方向變化和速度變化，在算法中可能將用戶操控前的狀態設定為原始操控狀態，將此時的三維空間通過映射產生的二維平面設定為原始二維平面，后續的操作都可以參考此平面。這樣就可以將用戶在三維上的移動轉變為在此二維平面上的移動。又因為用戶在三維移動過程中會出現角度的變化，可以通過相應的算法將角度變化對方向變化及速度變化的影響進行修正，這樣用戶在三維空間移動映射在二維平面上的軌跡就比較接近用戶期望的移動軌跡了。但是如果想要得到一種更好的體驗效果，則需要不停地分析用戶的移動軌跡，動態地更新參考平面，這樣才能使用戶每一次的移動更好地在二維平面上進行反饋。

RF發射模塊主要是將相應的數據流通過RF方式發送給相應的控制設備。隨著控制傳輸的數據量增大，原有的紅外傳輸方式巳不能滿足要求，因此在智能遙控器其主要采用RF傳輸方式，而其傳輸協議主要有：非標私有協議、藍牙、Zigbee、WIFI等。

4 結束語

本文是對智能遙控器的設計作一個淺析介紹，其實智能遙控器應用不僅僅局限于智能電視。智能家居已經給我們帶來了美好的憧憬。現實上不少廠商為解決房間內使用過多遙控器的問題，研制出了綜合多功能遙控器，把各種家用電器的遙控器功能全都集中到了一個控制器上，設計成了一個智能遙控器。即將的市場普及定能給智能遙控器帶來廣闊的應用市場。

參考文獻：

[1]李蕾，劉衛東.智能遙控器中的MEMS慣性傳感器數據處理[J].電腦知識與技術，2011，07（19）：4639.

篇9

【關鍵詞】中職教學；《傳感器原理與應用》課程；任務型教學；探究性教學

1、前言

改革是發展的動力，隨著我國課程改革在教育領域的不斷發展，對中職技術教學提出了更高的要求，教育改革倡導創新靈活的教育教學方式對傳統教學形成了一個巨大的挑戰。中職職業教育不應只是局限于對理論知識的學習，還應注重發展學生的職業技術實踐能力，全面提高學生職業技術應用的能力與職業綜合素質，面對這樣的時代要求，教師加強中職技術課程教學任重而道遠。對傳感器基本原理與應用知識、技術的掌握是當今社會技術人員的崗位基礎要求，也是職業教育的基礎課程。本文將通過引入“任務型教學”和“探究性教學”的教學模式，加強中職《傳感器原理與應用》課程教學效果。

2.《傳感器原理與應用》課程內容和特點分析

2.1《傳感器原理與應用》課程內容

《傳感器原理與應用》課程教材是將理論與實踐融合在一起的“知行融通”型教材。課程要求學生掌握光電傳感器、熱釋電紅外傳感器、聲傳感器、溫度傳感器等傳感器的原理及應用方法和對傳感器儀表安裝工程技術、無損檢測技術和超聲波檢測技術等技術方法的掌握與應用以及實踐必備的基礎知識[1]。

2.2《傳感器原理與應用》課程特點

該課程與一般課程不一樣，理論知識和實踐內容涉及的領域較為廣泛，相對于其它課程而言具有以下幾個特點。1）多元性強。傳感器從問世到普及應用以來，經歷了多次的變革、完善與創新，在眾多的實踐探索中不斷被更新和升級，應用效果得到普遍提升。在進行技術更新和升級的過程中需要強有力的多元化傳感器原理與應用知識有力的支撐，正是該課程的設置和學習滿足了人們對傳感器原理與應用綜合知識的需求。2）操作性強。職業教育不僅要求學生對知識能夠熟悉理解，更重要的是要培養學生運用理論知識指導實踐的能力。傳感器在社會的應用廣泛注定這門課程不是局限在書本內容的課程，它要求學生在實踐的過程中掌握傳感器的使用方法、調試與安裝等實踐性強的方法，是一門操作性十分強的課程。3） 與時俱進。時代在不斷變化和發展，人類的研究成果也在不斷豐富和變化。伴隨著科學技術的應用與發展，傳感器的產品不斷進行技術升級和更新換代，新的傳感器產品的出現意味著中職教育的《傳感器原理與應用》課程教材也不斷與時俱進，進行教材內容的更新和整合，新的傳感器的操作方法和工作原理也會在教材上得以更新，這方面體現了該課程的“與時俱進”。

3、實施任務型教學

自20世紀80年代以來，大量外語學者通過研究和分析總結出的在教學中具有非常大影響的語言類的教學模式，即我們所稱的“任務型”教學模式（Task-based learning簡稱TBL）[2]。任務型教學模式自引進以來在教育界得到了足夠的重視，教師依據相關的理論研究和先進的教學思想，創新性地為學生設置出貼近學生生活化的教學內容，有助于提高學生參與教學活動的積極性。

在《傳感器原理及應用》這門課程的教學活動中，通過運用任務型的教學模式，在課程的教學合理設置課程實踐任務。例如：在進行關于“電阻應變片式傳感器”的課程內容教學時，進行電子秤的案例的授講，合理設置任務問題“觀察和分析電子秤是如何工作的”并要求學生在活動過程過程中進行思考和分析。任務問題的設置不僅可以激發學生的興趣，還可引導學生在觀察和實踐的過程中激發對課程的求知欲望，促進教學效果的提高。

4、實施探究性教學

探究教學模式是通過設置科學的小范圍的課題內容或項目的為課程教學的切入點，并積極創建課堂情境，對課程問題進行合作討論，將課程教學內容、課程任務、課程特點和社會實踐要求相結合[3]。例如在針對《傳感器原理及應用》課程“電容式傳感器”內容教學過程中，根據課程的教學要求向學生傳授電容式傳感器的概念、組成、結構、特性等方面的理論知識，然后針對學生的認知情況進行實踐活動設置，讓學生在實踐的過程中掌握對電容式傳感器分類、電容式傳感器工作原理的掌握，從而達到讓學生在探究實踐的過程中熟悉和掌握關于傳感器知識課程。

5、實施不同教學模式的注意事項

在《傳感器原理及應用》這門課程的教學過程實施任務型教學和探究性教學模式時要注意以下幾個方面：1）理論與實踐相結合。雖然《傳感器原理及應用》課程更多注重的是學生走上社會崗位之后對職業核心技術的掌握和應用，但是也不能忽視傳統教學方法的運用。結合傳統教學的方法加強學生對新知識和理論的學習與掌握，所以在教學的過程中要根據課程的具體要求實施不同的教學模式。2）以市場需求為導向[4]。在教學的過程中，教師要結合市場對崗位的需求進行課程目標設置，加強學生與社會接軌的步伐。3）合理設置課程學習。俗話說教師領進門，修行在自身。教師在教學的過程中除了向學生傳輸理論知識和實踐技巧之外，還要引導學生如何進行自主性學習，根據自己興趣和特長在實踐中進行課程實踐。

6、結束語

中職教育是為了能夠根據社會的需求培養技術為導向的人才，《傳感器原理與應用》課程是以培養更多的與傳感器知識和技術相關的人才為課程目的。因此，教師進行課程教學活動時，不僅要注重學生掌握課程理論知識的能力，還要運用任務型教學和探究性教學的模式和方法加強學生對傳感器技術的實踐應用，促進課程教學效果的提高和促進學生職業核心技術和綜合能力的全面發展，確保中職學生在畢業后能夠在社會勝任相關的工作崗位。

參考文獻

[1]黃曉，風向風速傳感器的校準方法[J].計量與測試技術，2012，4（01）：98--99.

[2]敖振浪，李國森.自動氣象站風速傳感器自動化檢定系統設計與實現[J].氣象科技，2011，8（20）：211-212.

篇10

關鍵詞： 傳感器；教學體系；教學方法

0 引言

“傳感器原理與應用”課程是測控技術與儀器、電氣工程及其自動化、電子信息工程、計算機科學與技術、機械工程及其自動化、核工程與核技術等專業的專業基礎課，也是很多其他工程類專業的選修課程[1]。這門課程是已學課程知識的綜合及后續課程的基礎，在課程體系中擔負著承上啟下的作用。理論性和實踐性都很強，與通信技術、計算機技術并稱為現代電子信息技術的三大支柱[2]。本文針對“傳感器原理與應用”課程的特點，結合專業培養的目標，探討該課程理論教學和實踐教學的改革問題。

1 課程特點

傳感器課程主要內容是介紹各種傳感器的內部結構、測量電路、應用領域及敏感元件的工作原理、制作材料和工藝等。種類繁多，不僅涉及電學、磁學、力學、光學、聲學、化學、生物學、數學、材料、機械原理、計算機技術等多門學科[3]，還涉及工業現場的一些實際情況及制作工藝學等，幾乎涉及支撐現代文明的所有學科。另外，科學技術的發展對傳感器的發展也不斷提出新的要求和挑戰，大批新型優質傳感器不斷涌現，要求教學內容能夠與時俱進。

2 合理設置教學體系

面對傳感器課程綜合性強、實踐性強、知識更新快的特點[4]，要具體應用某種傳感器實現實際的測量，則需綜合應用各學科的知識，而知識應用的多元化又使學生很不容易理出頭緒，很難找到一條主線。現行的專業設置，人為隔離了學科間的聯系，導致學生在知識結構、技能訓練和素質培養等方面的片面性，無法提升學生傳感器的設計、開發技能。為真正提高學生的綜合應用各學科知識的能力，近年來，東北石油大學測控技術與儀器專業在課程體系設置方面進行了調整。開設了“傳感器原理與應用”、“數據誤差分析”、“單片機原理與應用”、“測控電子線路”等基礎課程，注重基礎知識的講解；開設了“模擬電子課程設計”、“傳感器課程設計”、“單片機課程設計”等，注重培養學生綜合應用的能力。其中“傳感器原理與應用”為64學時，其中理論教學56學時，實驗8學時，“傳感器課程設計”為兩周時間。這樣，從理論教學、實驗教學以及課程設計三個環節完善了課程的設置。

3 優化教學內容，改革教學方法

3.1 提綱挈領，啟發式教學 為了便于學生學習理論知識，我們對講課的內容作了以下處理：把種類繁多的傳感器按原理進行分類，如電阻式、電容式、電感式、光電式、壓電式、磁電式等；在講解每一類傳感器的原理部分，先引入現實生活中常見的某個應用，調動學生學習的興趣，之后分析工作原理，并輔以動畫演示，增加學習的生動性，進一步分析測量電路及誤差影響因素，最后結合實際總結該傳感器的應用領域、應用范圍等。利用這條主線來學習，大大減少了學生的負擔。

3.2 創設問題情境，討論式教學 由教師通過講解、板書以及教學多媒體的輔助，把教學內容傳遞或者灌輸給學生的“以教師為中心”的教學方法下，學生逐漸養成了不愛問、不想問“為什么”，甚至是不知道問“為什么”的麻木的學習習慣，形成過度依賴、拒絕思考的現狀。針對這一問題，在講解傳感器工作原理、測量電路等理論知識時，采用邊推導邊設問的方式與給出結論由學生推導分析過程、教師補充不足相結合，增加學生討論互動環節，使學生不再是被動的接受者，把教學內容轉化為個體的學習任務，給學生自我思考時間，并進行實踐探索，從而發現問題（使用哪種類型的傳感器）、分析問題（傳感器的性能、原理）、解決問題（傳感器的應用），提高學生思維能力，在設疑解惑中獲得傳感器知識，構建以提出問題、分析問題、解決問題為主線的能力培養體系，調動學生學習的主動性。

3.3 承上啟下，建立各章節間聯系 傳感器課程知識零碎，內容較多且分散，各章之間缺乏系統性和連續性[5]。針對各章節內容較分散的問題，在講解某個傳感器原理及測量電路時以提問的方式復習前幾種傳感器原理及測量電路類型，講解應用時提問是否有用已經講述過的傳感器來替代現有傳感器的可能，同時要對這幾種傳感器的應用優劣性做出對比。例如在講解電感式傳感器原理時通過推導給出電感傳感器計算基本公式，此時復習電阻式及電容式的基本計算公式及其推導過程；講解電感式測量電路時以提問的方式復習電阻式及電容式測量電路形式、特點、注意事項等；講解應用時以加速度測量為例，可由學生討論用電阻式及電容式傳感器實現測量的原理并分析數學模型，并且要對利用這三種傳感器實現加速度檢測功能的材料成本、傳感器性能、產品制造工藝和檢測方法等做出對比。通過這種教學模式，將各章之間建立緊密的聯系，這樣可以拓寬學生的視野，增進學生對不同傳感器之間聯系的進一步理解。

3.4 重視實踐環節，培養學生科學探究能力 在實驗教學中，根據客觀條件適當減少驗證性實驗，增加綜合性設計性實驗。對于驗證性實驗，教師利用多媒體技術講授實驗原理，使學生對所做實驗有一個理性的認識；學生根據指導書內容獨立完成實驗。對于綜合性設計性實驗，每次實驗內容在實驗指導書中僅提出本次實驗的目的、測量目標、測試具體要求、需要掌握的內容等，不限制方法和思路。讓學生獨立設計實驗，并在安全范圍內大膽讓學生自我設計并進行實驗，自行探索，學生成為獨立完成實驗設計和實驗過程的主體，實驗教師在必要時給予提示幫助。例如，在轉速測量的實驗中，教師不用規定學生具體使用哪一種傳感器，學生可以自主獨立選擇傳感器。電容式傳感器、電感式傳感器、磁電式傳感器、光電式傳感器等均可以實現轉速的測量，學生可以選擇其中一種甚至幾種來實現測量，然后對測量結果進行比較分析，可以得出在各種情況下哪一種傳感器的測量可靠性、精度更高。這樣可以充分調動起學生學習的積極性，不但可以提高學生的思維空間，同時還會讓學生有驚奇的發現，大大提高了教學效果。通過對這些情況的處理，可以培養學生解決問題的能力和創新思維的能力，在探討解決較復雜問題的過程中，還可以培養學生的團結協作精神。

課程設計過程通過以下幾個步驟完成：選擇題目、收集資料、問題總結、答疑解惑、確定方案、具體設計、檢查調試、成績評定。課程設計既要體現個體的綜合應用能力，又要體現團體的合作，所以在設置過程中，要求每人一個題目，每五個人一組，在完成自己題目設計的同時又要了解同組同學的設計思路、方法。在課程設計成績評定中，采取小組答辯的形式進行，讓學生對自己的設計思路、設計中遇到的問題、解決問題的方法、結果進行演講式答辯，教師和其他學生可以提出相關問題（要求同組同學要對本組設計的提問進行補充，視各組團體成績給最終成績）。這樣既鍛煉了學生的表達能力，也有助于學生之間的團結互助，對不同課題組的同學之間的相互學習也起到了一定的促進作用。對于設計思路和效果比較好的小組，可以進一步深化設計體系，進而參加各級別的創新大賽。

4 結束語

在近幾年的課程教學中，按人才培養的需求，對課程的理論與實踐教學進行了改革與嘗試，將知識傳授、實踐能力培養、綜合素質教育融為一體，及時更新、補充教學內容并反映新的傳感技術；改革教學手段，增強學生學習的主動性和能動性。學生對于“傳感器原理及應用”這門課程的學習興趣有了顯著的提高，教學成果明顯。課堂學習氣氛較濃，考試成績也較以往有顯著提高，學生在對老師的評教中也給予了很好的肯定；學生創新意識、創新能力在不斷提高。

參考文獻：

[1]陳淑靜，馬天才.“傳感器原理及應用”課程教學改革探討[J].天中學刊，2011，26(5)：86-88.

[2]應蓓華，李林功，鐘偉紅.“傳感器技術及應用”課程實踐教學改革探討[J].安徽電子信息職業技術學院學報，2011，4：64-66.

[3]張向文．《傳感器原理及應用》課程教學改革的探討[J].科教資訊，2007，3(27)：150-151.